Gravitácia (fyzika): Čo to je a prečo je to dôležité?

Študent fyziky sa môže stretnúť s gravitáciou vo fyzike dvoma rôznymi spôsobmi: ako zrýchlenie v dôsledku gravitácia na Zemi alebo iných nebeských telesách alebo ako sila príťažlivosti medzi akýmikoľvek dvoma objektmi v vesmír. Gravitácia je v skutočnosti jednou z najzákladnejších síl v prírode.

Sir Isaac Newton vypracoval zákony, ktoré popisujú oboje. Newtonov druhý zákon (F_sieť = ma) sa vzťahuje na každú čistú silu pôsobiacu na objekt, vrátane gravitačnej sily pôsobiacej v prostredí ľubovoľného veľkého telesa, napríklad planéty. Newtonov zákon univerzálnej gravitácie, zákon obráteného štvorca, vysvetľuje gravitačné pôsobenie alebo príťažlivosť medzi ľubovoľnými dvoma objektmi.

Gravitačná sila, ktorú zažíva predmet v gravitačnom poli, je vždy smerovaná do stredu hmoty, ktorá vytvára pole, ako je napríklad stred Zeme. Pri absencii ďalších síl to možno opísať pomocou newtonovského vzťahuF_sieť = ma, kdeF_sieťje gravitačná sila v Newtonoch (N),mje hmotnosť v kilogramoch (kg) aaje zrýchlenie v dôsledku gravitácie v m / s².

Všetky objekty vo vnútri gravitačného poľa, ako napríklad všetky skaly na Marse, prežívajú to istézrýchlenie smerom do stredu poľa​ ​pôsobiace na ich masy.Jediným faktorom, ktorý mení gravitačnú silu pociťovanú rôznymi objektmi na tej istej planéte, je teda ich hmotnosť: Čím väčšia hmotnosť, tým väčšia je gravitačná sila a naopak.

Sila gravitáciejejeho váha vo fyzike, hoci hovorovo sa váha často používa inak.

Newtonov druhý zákon,F_sieť = ma, ukazuje, že ačistá silaspôsobuje zrýchlenie hmoty. Ak čistá sila pochádza z gravitácie, toto zrýchlenie sa nazýva gravitačné zrýchlenie; pre objekty v blízkosti konkrétnych veľkých telies, ako sú planéty, je toto zrýchlenie približne konštantné, čo znamená, že všetky objekty padajú s rovnakým zrýchlením.

V blízkosti zemského povrchu má táto konštanta svoju vlastnú špeciálnu premennú:g. „Malý g,“ akogsa často volá, má vždy konštantnú hodnotu 9,8 m / s². (Fráza „malé g“ odlišuje túto konštantu od inej dôležitej gravitačnej konštanty,G, alebo „veľké G“, ktoré sa vzťahuje na Univerzálny zákon gravitácie.) Akýkoľvek predmet spadnutý blízko povrchu Zeme bude padajú smerom k stredu Zeme čoraz väčšou rýchlosťou, pričom každá sekunda je rýchlejšia o 9,8 m / s ako druhá predtým.

Na Zemi gravitačná sila na objekt hmotnostimje:

Astronauti sa dostanú na vzdialenú planétu a zistí, že zdvíhanie predmetov tam vyžaduje osemkrát väčšiu silu ako na Zemi. Aké je zrýchlenie v dôsledku gravitácie na tejto planéte?

Na tejto planéte je gravitačná sila osemkrát väčšia. Pretože masy objektov sú základnou vlastnosťou týchto objektov, nemôžu sa meniť, to znamená hodnotugmusia byť tiež osemkrát väčšie:

Hodnotagna Zemi je 9,8 m / s², teda 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Druhý z Newtonových zákonov, ktoré platia pre pochopenie gravitácie vo fyzike, vyšiel z toho, že si Newton lámal hlavu nad nálezmi iného fyzika. Pokúšal sa vysvetliť, prečo majú planéty slnečnej sústavy skôr eliptické dráhy ako kruhové, ako to pozoroval a matematicky opísal Johannes Kepler vo svojom súbore rovnomenných zákonov.

Newton určil, že gravitačné príťažlivosti medzi planétami, keď sa dostávali bližšie a ďalej od seba, hrali do pohybu planét. Tieto planéty boli v skutočnosti vo voľnom páde. Túto príťažlivosť vyčíslil vo svojomUniverzálny gravitačný zákon​:

KdeF_grav opäť je gravitačná sila v Newtonoch (N),m₁am₂sú hmotnosti prvého a druhého objektu v kilogramoch (kg) (napríklad hmotnosť Zeme a hmotnosť objektu v blízkosti Zeme) ad²je druhá mocnina vzdialenosti medzi nimi v metroch (m).

PremennáG, nazývané „veľké G“, je univerzálna gravitačná konštanta. Tomá všade vo vesmíre rovnakú hodnotu. Newton neobjavil hodnotu G (Henry Cavendish ju experimentálne zistil po Newtonovej smrti), ale zistil proporcionalitu sily k hmotnosti a vzdialenosti bez nej.

Rovnica ukazuje dva dôležité vzťahy:

1. Čím masívnejší je jeden objekt, tým väčšia je atrakcia. Keby bol mesiac náhledvakrát tak masívneako je to teraz, sila príťažlivosti medzi Zemou a Mesiacom by boladvojitý​.
2. Čím sú objekty bližšie, tým je atrakcia väčšia. Pretože masy sú spojené vzdialenosťou medzi nimina druhúsila príťažlivostištvorkyzakaždým, keď sú predmetydvakrát tak blízko. Keby bol mesiac náhlepolovica vzdialenostina Zem, aká je teraz, by bola príťažlivá sila medzi Zemou a Mesiacomštyrikrát väčšie.​

Newtonova teória je tiež známa akozákon obráteného štvorcakvôli druhému bodu vyššie. Vysvetľuje to, prečo gravitačná príťažlivosť medzi dvoma objektmi rýchlo klesá, keď sa oddeľujú, oveľa rýchlejšie, ako keby sa zmenila hmotnosť jedného alebo oboch z nich.

Aká je sila príťažlivosti medzi 8 000 kg kométou, ktorá je vzdialená 70 000 m od 200 kg kométy?

Newton odviedol úžasnú prácu predpovedaním pohybu objektov a vyčíslením gravitačnej sily v 1600-tych rokoch. Ale zhruba o 300 rokov neskôr iná veľká myseľ - Albert Einstein - vyzvala toto myslenie novým spôsobom a presnejším spôsobom chápania gravitácie.

Podľa Einsteina je gravitácia skreslenímvesmírny čas, štruktúra samotného vesmíru. Priestor hromadnej osnovy, ako bowlingová guľa, vytvorí na posteľnej vrstve priehlbinu, a masívnejšie objekty, ako sú hviezdy alebo čierne diery, sa osnovujú priestor s účinkami ľahko pozorovateľnými v ďalekohľade - ohyb svetla alebo zmena pohybu objektov v blízkosti týchto hmôt.

Einsteinova teória všeobecnej relativity sa skvele osvedčila vysvetlením, prečo je Merkúr, malá planéta najbližšie k slnku v našej slnečnej sústave, má obežnú dráhu s merateľným rozdielom od toho, čo predpovedajú Newtonove zákony.

Zatiaľ čo všeobecná relativita je pri vysvetľovaní gravitácie presnejšia ako Newtonove zákony, rozdiel vo výpočtoch pomocou oboch je viditeľné z väčšej časti iba na „relativistických“ mierkach - pri pohľade na mimoriadne hmotné objekty vo vesmíre alebo na blízke svetlo rýchlosti. Preto Newtonove zákony zostávajú dnes užitočné a relevantné pri opise mnohých skutočných situácií, s ktorými sa priemerný človek pravdepodobne stretne.

„Univerzálna“ súčasť Newtonovho univerzálneho gravitačného zákona nie je hyperbolická. Tento zákon platí pre všetko vo vesmíre s hmotou! Akékoľvek dve častice sa lákajú navzájom, rovnako ako akékoľvek dve galaxie. Samozrejme na dostatočne veľkých vzdialenostiach je príťažlivosť taká malá, že je skutočne nulová.

Vzhľadom na to, ako dôležitá je gravitácia pri opiseako všetka hmota interaguje, hovorové anglické definíciegravitácia(podľa Oxford: „extrémna alebo alarmujúca dôležitosť; vážnosť “) alebogravitas(„dôstojnosť, vážnosť alebo vážnosť konania“) nadobúdajú ďalší význam. To znamená, že keď niekto hovorí o „závažnosti situácie“, môže fyzik ešte potrebovať objasnenie: Myslí sa tým v zmysle veľkého G alebo malého g?